图 1.数值实验的示意图。图片来源：香港大学

通过对超级计算机的大规模模拟，香港大学（HKU）物理系的一个研究小组发现了明确的证据来表征高度纠缠的量子物质相 - 量子自旋液（QSL），这是一种即使在非常低的温度下仍然无序的物质相。这项研究最近发表在npj Quantum Materials上。

QSL是由1977年诺贝尔物理学奖获得者P. W. Anderson于1973年提出的。它们有可能用于拓扑量子计算，并帮助理解高温超导体的机制，由于没有电阻，可以大大降低电力运输过程中的能源成本。

QSL因其缺乏常规顺序而被称为液体。QSL具有起源于长程和强量子纠缠的拓扑顺序。这种拓扑阶的检测是一项艰巨的任务，因为缺乏能够完美实现科学家提出的许多模型系统的材料，以找到QSL的拓扑阶并证明其存在。因此，尚未被明确接受的具体证据表明QSL在自然界中存在。

来自香港大学物理系的赵家瑞、陈斌斌博士、郑燕博士和子阳萌博士在可果体晶格量子自旋模型的一个阶段成功探测了这个拓扑阶次，这是一种具有内在量子纠缠的二维晶格模型，由具有Z的科学家提出。2（2阶的循环群）拓扑顺序，通过在超级计算机上精心设计的数值实验。拓扑纠缠熵的明确结果强烈表明，从数值角度来看，QSL存在于高纠缠量子模型中。

“我们的工作利用了现代超级计算机的卓越计算能力，我们用它们来模拟一个非常复杂的模型，该模型被认为具有拓扑顺序。根据我们的发现，物理学家更有信心QSL应该存在于自然界中，“该期刊论文的第一作者，物理系博士生Jiarui Zhao说。

“数值模拟一直是量子材料科学研究的重要趋势。我们的算法和计算可以找到更有趣和新颖的量子物质，这些努力肯定会有助于实用量子技术和基础研究新范式的发展，“物理系副教授Zi Yang Meng博士说。

图 2.可果美量子自旋模型的晶格类型及拓扑熵的相应结果.图片来源：香港大学

研究

该团队在提出的QSL阶段对可果美自旋模型（可果美是一种二维晶格结构，在六角形格子的形状上显示出与传统日本编织竹子图案相似的图案）进行了数值实验，实验的示意图如图1所示。系统的纠缠熵（S）可以通过测量模型的自由能在精心设计的非平衡过程中的变化来获得。表征长程拓扑阶的拓扑熵（γ）可以通过从总纠缠熵（S=al-γ）中减去与纠缠边界长度（l）成正比的短程贡献来提取，该贡献与总纠缠熵（S）的纠缠边界长度成正比。

如图2所示，研究小组对长度和宽度不同比例的两种晶格进行了实验，以确保结果的可靠性。研究人员使用一条直线来拟合纠缠熵与纠缠边界长度之间的关系，以便拓扑熵应等于直线的截距。结果给出的拓扑熵值为1.4（2），这与Z2量子自旋液体的拓扑熵预测值为2ln（2）一致。研究结果从数值角度证实了QSL的存在。

更多信息：赵佳瑞等， 在量子蒙特卡罗模拟中高效、高精度地测量仁义纠缠熵， npj Quantum Materials （2022）.DOI： 10.1038/s41535-022-00476-0